[論文レビュー] S-Channel Dark Matter Simplified Models and Unitarity

Christoph Englert, Matthew McCullough+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 62被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるsチャンネルのダークマター簡略化モデルの摂動的ユニタリティを調査し、軽いクォークの質量による抑制のおかげで、ユニタリティの破綻は非常に大きな結合定数—摂動的有効性をはるかに超える—でのみ発生することを示している。また、フェルミオンに結合しないが、ベクトルボソンに結合する新しい「フェルミオフィール・スカラー」簡略化モデルを導入し、安定した臨床的性質を示し、VBFベースの欠落エネルギー探索を強化する。

ABSTRACT

The ultraviolet structure of $s$-channel mediator dark matter simplified models at hadron colliders is considered. In terms of commonly studied $s$-channel mediator simplified models it is argued that at arbitrarily high energies the perturbative description of dark matter production in high energy scattering at hadron colliders will break down in a number of cases. This is analogous to the well documented breakdown of an EFT description of dark matter collider production. With this in mind, to diagnose whether or not the use of simplified models at the LHC is valid, perturbative unitarity of the scattering amplitude in the processes relevant to LHC dark matter searches is studied. The results are as one would expect: at the LHC and future proton colliders the simplified model descriptions of dark matter production are in general valid. As a result of the general discussion, a simple new class of previously unconsidered `Fermiophobic Scalar' simplified models is proposed, in which a scalar mediator couples to electroweak vector bosons. The Fermiophobic simplified model is well motivated and exhibits interesting collider and direct detection phenomenology.

研究の動機と目的

• LHCにおけるダークマター生成のためのsチャンネル簡略化モデルの有効性を、摂動的ユニタリティを検討することで評価すること。
• 高エネルギーにおいてユニタリティの破綻によって簡略化モデルがいつ破綻するかを特定すること。
• フェルミオンに結合するが、これまでの文献で未発表の「フェルミオフィール・スカラー」媒介粒子を有する、新しい簡略化モデルのクラスを提唱すること。
• 新しいフェルミオフィール・モデルのコライダーおよび直接検出の臨床的性質を評価すること。
• 完全なUV完備化臨床的性質を捉えるために、包括的な簡略化モデルのセットを含めることの重要性を強調すること。

提案手法

• LHCのモノジェット、モノW、モノZのシグネチャに関連するsチャンネル簡略化モデルにおける散乱振幅を分析する。
• 摂動的ユニタリティ制約を適用し、振幅がユニタリティを破綻させるエネルギースケールを同定する。
• Gounion–Gunion–Kane基準を用いて、ベクトルおよび軸性ベクトル媒介粒子モデルにおけるユニタリティの破綻を評価する。
• フェルミオンに結合しないが、WおよびZボソンにのみ結合する新しいスカラー媒介粒子（フェルミオフィール）を導入する。
• 結合定数の制約と幅条件（Γ < m_S/2）を用いて、モデルの臨床的性質を評価する。
• ユニタリティ制約を摂動的破綻推定とフェルミオン質量の抑制効果と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 sチャンネルのダークマター生成の摂動的記述は、どのエネルギースケールでユニタリティの破綻によって破綻するか？
• RQ2 軽いクォーク初期状態を伴う簡略化モデルにおいて、フェルミオン質量の抑制はユニタリティ破綻の可能性にどのように影響するか？
• RQ3 フェルミオンではなく、ベクトルボソンにのみ結合するスカラー媒介粒子（フェルミオフィール）の臨床的意味は何か？
• RQ4 UV不完全性を有するにもかかわらず、簡略化モデルのアプローチはLHCのダークマター探索において依然として有効に保てるか？
• RQ5 UV完全なダークマター理論のコライダー臨床的性質を完全に捉えるために、どのような新しいクラスの簡略化モデルが必要か？

主な発見

• 物理的に妥当な結合定数の範囲では、LHCにおけるsチャンネル簡略化モデルにおいて摂動的ユニタリティは保たれる。これは、媒介粒子の幅がその質量の半分未満である限り有効である。
• ユニタリティの破綻は非常に大きな結合定数でのみ発生し、摂動論の破綻と一致しており、実験的に関連するエネルギーでは発生しない。
• フェルミオン質量の抑制は、軽いクォーク初期状態を伴う過程におけるユニタリティ破綻のリスクを強く低減し、簡略化モデルのアプローチの堅牢性を高める。
• 新たに提案された「フェルミオフィール・スカラー」媒介粒子モデルは、WおよびZボソンにのみ結合し、クォークやレプトンへの直接結合を回避する。
• このモデルは安定したユニタリティ特性を示し、LHCにおけるVBFベースの欠落エネルギー探索の新たな機会を提供する。
• 本分析は、結合定数を摂動的範囲に保ち、幅を制約する限り、簡略化モデルをLHCのダークマター探索に継続して使用できることを支持する。